基于PLC的橱柜型立体仓库及其搬运机械手的设计.doc

基于PLC的橱柜型立体仓库及其搬运机械手的设计
摘要：设计一套自动化立体仓库采用PLC控制来精确地识别各工位上是否有工件，以确定取/放工件；采用气动方式控制换向阀使机械手完成各种动作，如伸出，收回，沿左右方向旋转，已完成去放工间的动作，即完成收货——存货——取货——发货；采用电动方式来驱动机械手沿同步带运动，以实现机械手在货架每层各工位之间的各种操作；并能使机械手沿两立柱上下运动，以实现机械手在各层之间的操作。
关键词：橱柜式立体仓库，搬运机械手，PLC
The Design of the Automated Warehouse and Its Manipulator Based on PLC
Abstract: Automated warehouse is a high-level shelf storage of goods, with lifting, handling, transport machinery and equipment to carry out cargo warehousing operations. An automated warehouse which uses PLC to control the precise identification of all workers on whether there is a workpiece to determine admission / release the workpiece. It use pneumatic control valve to complete a variety of mechanical hand movements, such as extending, recovering, moving along about the direction of rotation etc. To complet the receipt - inventory - pickup – shipments action. The machinery hand move along the belt in order to achieve mechanical hand in every shelf between the workers of the various operations and make mechanical hand column from top to bottom along the two campaigns drived by electrical, which will make mechanical hand moving between the layers operation.
Keywords: Automated Warehouse, Manipulator, PLC
1.前言
自动化立体仓库及搬运装置是以计算机综合管理系统为基础，能自动完成存储和取料的系统。是企业信息管理系统的重要组成部分之一，它的主体是自动化立体仓库。自动化立体仓库是指采用高从货架存储货物，用起重、装卸、运输机械设备进行货物出入库作业，有电子计算机进行管理和控制，不需人工搬运作业而实现收发作业的仓库。目前，自动化立体仓库在发达国家已经相当普遍，日本式自动化立体仓库发展的最快也是建造数量最多的国家。此外，美国，德国，意大利等国家也建造了许多自动化立体仓库。自动化立体仓库发展至今，在设计、制造、自动化控制和计算机管理方面的技术日益成熟。条形码技术、扫描技术和数据采集技术与来越多的应用于物流传输系统。在仓储和产品发送中发挥越来越重要的作用。随着气动伺服技术的发展，使气*山东省自然科学基金项目(ZR2009FQ026)
缸在行程内的任意位置上的定位成为可能。日本SMC公司和德国FESTO公司等都开发出了可在任意位置定位的气缸，其定位精度可以达到士0.5mm以内。随着生产的发展，气动机械手的功能和性能不断改善和提高，其应用领域日益扩大。气动-伺服系统的出现，是气动机械手实现了在任意位置的定位，大大扩展了其在工业自动化领域的应用范围。目前气动机械手主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。本文设计一套自动化立体仓库采用PLC控制来精确地识别各工位上是否有工件，以确定取/放工件；采用气动方式控制换向阀使机械手完成各种动作，如伸出，收回，沿左右方向旋转，已完成去放工间的动作，即完成收货——存货——取货——发货；采用电动方式来驱动机械手沿同步带运动，以实现机械手在货架每层各工位之间的各种操作；并能使机械手沿两立柱上下运动，以实现机械手在各层之间的操作。
2. 橱柜式立体仓库及其搬运机械手的总体设计要求
橱柜式立体仓库总体高2米，宽0.5米，长1.5米，总共有8个货架，分四层，每层2个工位，且每个货架最大可承受5kg的重量。搬运机械手可以完成立体仓库内各个工位间工件的搬运，由库取件，向库放件，以及取放件等动作，该机械手采用气压方式驱动机械手做夹紧、伸缩和旋转等运动，采用电机驱动机械手做上下运动和左右运动。并能实现精确的位置控制。工件的定位与限位采用由装有霍尔传感器磁铁带双V型槽的方型料盘盛放，料盘的后方有对应位置的霍尔传感器识别。立体仓库采用货架结构，后侧有配装透明有机玻璃的双开门；两侧同样配装透明有机玻璃，前面敞开，便于观察和工作的零件取放；下部为封闭的控制箱，后侧设置双开门，方便控制元气件的安装、调整、维修。总体方案如下图所示：
图1 橱柜式立体仓库及搬运装置总体结构图
3. 立体仓库及其搬运机械手的机械部分的设计
3.1自动化立体仓库的设计：
立体仓库也要有足够的刚度来支撑工件以不致被工件压变形。
具体设计由如下图所示：

图2 橱柜式立体仓库结构图
搬运机械手的设计
搬运机械手主要包括由夹紧气缸、伸缩气缸和旋转气缸组成的气动机械手部分和支撑气动机械手做水平和上下移动的水平导轨和立柱部分组成。通过顺序控由三个气缸的动作以完成立体仓库的收货、存货、取货、放货等动作，并承载工件的重量，所以要求机械手的结构有足够的强度与刚度。
具体设计由如下图所示：
三维移动装置安装在立体库敞开的前面一侧，有Z向（垂直）直线移动单元，通过交流伺服电机。方型蜗轮蜗杆减速器驱动直线单元内部的齿型带轮机构，由直线导轨精确导向，通过固装在齿型带上的滑板上下移动，由于交流伺服电机该单元可以实现上下动作的精确位移，实现对上下8层库位取放零件的高度匹配。X向（横向）左右两工位的移动是通过直流电机，减速器驱动齿型带轮，由直线导轨精确导向，通过固装在齿型带上的滑板装置左右移动，有分装在左右两工位对应位置的位置传感器，实现取放左右两工位工件的精确定位。Y向（前后）的动作是通过伸缩滑台气缸、180o回转气缸、H型平行手抓气缸按即定的动作顺序完成工件从库中向传输线或者由传输线向库中输送和取放工件。
3.2气缸部分的结构设计
3.2.1夹紧气缸与旋转气缸
夹紧气缸的基本原理与伸缩气缸相似，只是夹紧气缸的动力要通过传动杠杆传给卡爪来完成，最终将压缩空气的能量通过活塞杆与传动杠杆传给气爪来实现对料盘的夹持。
旋转气缸中采用单叶片式。单叶片输出轴摆动角度大，小于360度，它是由叶片轴输出转子、定子、缸体和前后端盖等组成。定子和缸体固定在一起，叶片和转子连在一起。叶片轴密封圈整体硫化在叶片轴上。在定子上有两条气路，单叶片左路进气时，右路排气，压缩空气推动叶片带动转子顺时针旋转，反之，做逆时针旋转。气缸的结构设计如下图所示：

图4夹紧气缸结构图
1-卡爪，2-螺钉，3-连接块，4、5-螺钉，6—进气口，7-出气口夹紧气缸的结构

旋转气缸的结构设计
1 键，2 轴，3-分度装置，4-垫片5-密封圈，6-螺钉，7-销，8-挡块，9-缸体，10-轴承
图5 旋转气缸结构图
4.立体仓库及其搬运机械手的运动控制
立体仓库及其搬运机械手的运动控制采用西门子PLC，可以顺序控制气缸换向阀以及伺服电机的运动方向，实现机械手的取货-放货-倒货等动作，下图为西门子PLC接线图及各端子定义。

图6 立体仓库及其搬运机械手PLC接线图
控制电机的选择
电动机的选择是要根据转矩和转动惯量来选择的，其依据是由实践经验推荐伺服电动机转子转动惯量机械进给装置折算到电动机轴上的转动惯量相匹配的合理关系为
和
电动机转动惯量的计算

为各零件的转动惯量，为各零件对转动轴的半径。
3.选择电动机型号
由

所以电动机型号选为FANUC5-0型（交流伺服电动机），重量m=0.5kg，，p=0. 2kw,最高转速n=3000r/min
5.结论
橱柜式立体仓库及其搬运机械手是可以实现立体仓库的自动存储与取料的系统，采用PLC控制来精确地识别各工位上是否有工件，以确定取/放工件；采用气动方式控制换向阀使机械手完成各种动作，如伸出，收回，沿左右方向旋转，已完成去放工间的动作，即完成收货——存货——取货——发货；采用电动方式来驱动机械手沿同步带运动，以实现机械手在货架每层各工位之间的各种操作；并能使机械手沿两立柱上下运动，以实现机械手在各层之间的操作。它不仅可以减轻劳动力的工作强度，还可以与原料和产品的信息共享，减少库存等，可以使企业的经济效益提高，最终在市场上占有一席之地。
参考文献：
[1] 陈劼, 孙小明. 自动化立体仓库的优化设计[J]. 中国质量 , 2008,(07)
[2] 姚晓明. 自动化立体仓库在我国的现状和发展[J]. 物流技术 , 1995,(06)
[3] 栾娥. PLC在自动化立体仓库系统堆垛机上的应用[J]. 物流技术与应用 , 2005,(01)
[4] 易芸芸, 杨公源. 基于PLC的立体仓库控制系统设计[J]. 仪器仪表用户 , 2008,(05)
[5] 杨继志, 郭敬. 自动化立体仓库的关键技术[J]. 起重运输机械 , 2007,(01)